LHAASO发现“膝”区宇宙射线平均质量的“肘”

高海拔宇宙线观测站（LHAASO）以最高精度测量了“膝”区宇宙线的能谱及其成分的平均对数质量，并首次发现“膝”区宇宙线平均对数质量分布存在“肘“状结构，这为破解宇宙线起源之谜提供了新的关键线索。该成果于3月26日以编辑推荐（Editors’ suggestion）的形式在《物理评论快报》（DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.131002）上发表，前沿交叉科学青岛研究院冯存峰教授与中国科学院高能物理研究所张恒英博士、何会海研究员为该论文共同通讯作者，其中张恒英博士2021年毕业于山东大学前沿交叉科学青岛研究院（导师冯存峰教授），其博士研究生期间就开始了该项研究。

高能宇宙线的起源是世纪之谜，宇宙线能谱的“膝”的成因与宇宙线起源密切相关，测量“膝”区宇宙线成分是理解宇宙线起源的关键，但由于过去的探测手段单一且探测器的灵敏度较低，宇宙线成分的分辨一直是研究瓶颈。LHAASO实验是由多种探测器构成的复合探测器阵列，研究人员利用LHAASO-KM2A阵列2021年9月到2022年12月的实验数据，通过组合该实验的缪子探测器和电磁粒子探测器信息，消除了能量重建对宇宙线成分的依赖，构造出对宇宙线平均质量敏感的参量，以前所未有的精度测量了“膝”区宇宙线能谱及其成分的平均对数质量，首次在平均对数质量上发现了一个类似“肘”关节的结构，证明了“膝”源于宇宙线的轻成分，即质子和氦，这对宇宙线模型的检验非常关键。联合我们得到的最精确的“膝”区能谱和平均质量谱测量结果，将对宇宙线模型给出最强限制，破解“膝”的成因之谜。该测量结果被审稿人称为“领域里重要的里程碑”。

LHAASO是国家重大科技基础设施，位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，是国际上领先的高灵敏度、强大巡天能力和宽能谱的探测装置。山东大学在LHAASO实验中承担了电磁粒子探测器的研制、性能检测和软件框架开发工作，并已在多个物理分析工作中取得显著成绩，本次发现也是LHAASO实验第一个宇宙线核子观测重要成果。